Образование самых тяжелых элементов во Вселенной остается загадкой

Крупнейшие взрывы во Вселенной создали некоторые из элементов, из которых мы состоим. Но есть еще один таинственный источник.

Об этом в издании The Conversation рассказывает Роберт Броуз, доцент Школы физических наук Дублинского городского университета, передают OstanniPodii.com.

Вселенная, после своего "рождения" в Большом взрыве, состояла преимущественно из водорода и небольшого количества атомов гелия. Это самые легкие элементы в периодической таблице Менделеева. За 13,8 миллиарда лет, прошедших с момента Большого взрыва до наших дней, были созданы практически все элементы тяжелее гелия.

Многие из этих тяжелых элементов образовались в результате ядерного синтеза внутри звезд. Однако, при этом образуются лишь такие тяжелые элементы, как железо. Образование любых более тяжелых элементов потребляло бы энергию, а не высвобождало бы её.

Для того, чтобы объяснить наличие этих тяжелых элементов сегодня, необходимо найти явления, которые могут их создавать. Одним из таких явлений является гамма-всплеск (GRB) -- самый мощный класс взрывов во Вселенной. Они могут вспыхивать со светимостью в квинтиллион (10 с последующими 18 нулями) раз больше светимости нашего Солнца, и, как считают астрофизики, вызываются несколькими типами событий.

GRB можно разделить на две категории: длинные всплески и короткие всплески. Длинные GRB-всплески связаны со смертью массивных и быстро вращающихся звезд. Согласно этой теории, при быстром вращении материал, выброшенный во время коллапса массивной звезды, превращается в узкие струи, которые движутся с чрезвычайно большой скоростью.

Короткие всплески длятся всего несколько секунд. Считается, что они вызваны столкновением двух нейтронных звезд -- компактных и плотных "мертвых" звезд. Поддержать эту теорию помогло важное событие, зафиксированное в 2017 году. Ligo и Virgo -- два детектора гравитационных волн в США -- обнаружили сигнал, который, как представлялось, шел от двух нейтронных звезд, приближавшихся к своему столкновению.

Через несколько секунд был обнаружен короткий гамма-всплеск, известный как GRB 100817A, который шел с того же направления в небе. В течение нескольких недель практически каждый телескоп на планете был направлен на это событие в беспрецедентных усилиях изучить его последствия.

Наблюдения обнаружили килоновую в месте расположения GRB 170817A. Килоновая -- это более тусклый родственник взрыва сверхновой. Самым интересным являются полученные доказательства того, что во время взрыва было образовано много тяжелых элементов. Ученые, проанализировавшие взрыв, показали, что эта килоновая, похоже, образовала две разные категории обломков, или выбросов. Одна состояла преимущественно из легких элементов, а другая -- из тяжелых.

Как уже упоминалось, в результате ядерного синтеза могут образовываться элементы, не тяжелее железа. Но есть еще один процесс, который может объяснить, как килоновая смогла произвести еще более тяжелые элементы.

Быстрый процесс захвата нейтронов, или r-процесс, заключается в том, что ядра более тяжелых элементов, таких как железо, захватывают много нейтронов за короткое время. Затем они быстро увеличиваются в массе, образуя гораздо более тяжелые элементы. Однако для того, чтобы r-процесс работал, нужны соответствующие условия: высокая плотность, высокая температура и большое количество доступных свободных нейтронов. И всплески гамма-излучения обеспечивают эти необходимые условия.

Однако слияние двух нейтронных звезд, подобное тому, что вызвало появление килоновой GRB 170817A, является очень редким событием. И они могут быть настолько редкими, что являются маловероятным источником большого количества тяжелых элементов, которые мы имеем во Вселенной. Но как насчет длинных GRB?

В недавнем исследовании изучалась однин длинный гамма-всплеск, GRB 221009. Он получиланазвание BOAT - "самый яркий за все время". Этот GRB был зафиксирован как импульс интенсивного излучения, пронесшийся по Солнечной системе в октябре 2022 года.

BOAT вызвал такую же кампанию астрономических наблюдений, как и килоновая. Этот GRB был в 10 раз энергичнее предыдущего рекордсмена и настолько близким к нам, что его влияние на атмосферу нашей планеты можно было измерить на земле и сравнить с большой солнечной бурей.

Среди телескопов, которые изучали последствия взрыва, был космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). Он наблюдал за этим GRB примерно через шесть месяцев после взрыва, чтобы не быть ослепленным послесвечением начальной вспышки. Данные, собранные JWST, показали, что, несмотря на чрезвычайную яркость события, оно было вызвано обычным взрывом сверхновой.

На самом деле, предыдущие наблюдения других длинных GRB указывали на отсутствие корреляции между яркостью GRB и размером взрыва сверхновой, связанного с ним. Похоже, что BOAT не является исключением.

Команда JWST также подсчитала количество тяжелых элементов, образовавшихся во время взрыва BOAT. Они не нашли никаких признаков элементов, образующихся в результате r-процесса. Это странно, поскольку теоретически считается, что яркость длинных GRB связана с условиями в их ядре, вероятнее всего, черной дыре. Для очень ярких событий -- особенно таких экстремальных, как BOAT -- условия должны быть подходящими, чтобы происходил r-процесс.

Эти выводы свидетельствуют о том, что гамма-всплески могут не быть тем ключевым источником тяжелых элементов во Вселенной, на который возлагали большие надежды. Вместо этого должен существовать другой источник или источники.